为什么空气不受其气体成分密度分层的影响?

Question

构成空气的不同气体具有不同的密度。因此，人们天真地认为，较重的气体会聚集在低层大气中，而较轻的气体会聚集在高层大气中。

我很久以前就问过自己这个问题，我发现答案是大气环流产生的混合足以使整个混合物保持均匀，我对这个答案很满意，直到我考虑到洞穴的情况，或者地球上在地下矿井中发现的房间，它们已经被隔离了数百万年。但尽管如此，还没有矿工死亡的报道，因为在洞的顶部，底部的空气只有氮气或氧气。

由分子运动产生的混合是否由于其温度足以避免分层?还是另有原因?低温下的空气会发生密度分层吗?

Answer 1

因此，人们天真地认为，较重的气体会聚集在低层大气中，而较轻的气体会聚集在高层大气中。

这太天真了。同样天真的期望会让人认为铀应该集中在地核，或者水和乙醇的混合物应该被区分开来，水在下面，乙醇在上面。相反，铀集中在地壳中，水和乙醇很容易混合。熵和化学可以导致反直觉的结果。

这无疑是气体的情况。熵优分布是一种彻底的混合。如果只有分子扩散在起作用，达到这种彻底的混合可能需要很长时间。湍流混合使混合进行得更快。

在有些地方，熵优分布不会发生。气体可以在矿井和地下室集中。例如，矿井存在甲烷和一氧化碳浓度的问题(两者的密度都低于空气)，但也存在二氧化碳和硫化物浓度的问题(两者的密度都高于空气)。在有大量花岗岩的地区，地下室有氡的问题(氡的密度明显高于空气)。由于湍流混合减少，气体可以在矿井和地下室集中。这使得产生气体的过程压倒了缓慢的分子分散过程，导致熵上不利的分布。

地球的上层大气也有所不同。在这里，上层大气的极度稀少意味着湍流混合被高度减弱。极端的太阳辐射(高紫外线和x射线)通过将氧分子、水蒸气和少量的氮分解成组成部分而产生气体。上层大气中很长的平均自由程意味着较轻的成分比较重的成分移动得更高。

Answer 2

但尽管如此，还没有矿工死亡的报道，因为在洞的顶部，底部的空气只有氮气或氧气。

是也不是，矿工死于其他原因，如缺氧，硫中毒等。
但举例来说，你已经可以在附近找到硫磺中毒的案例火山在火山地区，仅仅是因为溶解了硫的空气比周围的空气重。
所以这就是你一直要求的效果，但你仍然需要严重缺乏风和合适的地形才能使分层发生。

现在我们把它缩小一点。地球有一个表面。这提供了摩擦，并大大减缓了表面风，创造了行星边界层(PBL)。你可以把PBL想象成“自由流媒体氛围想要做的事情，但随后它遇到了一个表面”。
只是因为表面的摩擦，我们表面上只有中等强度的风，这才允许出现一些特殊现象，比如充满硫的小山谷。

在大气层的高处，速度要快得多。因此，雷诺数更高，流动的不稳定变得更容易，湍流开始出现，混合了一切。
只有在大约100公里高度的卡门线上，事情才足够平静(就摩擦动量密度从一层转移到另一层而言)，分子才开始按重量分离。

所以我想说你最初的直觉是对的，只是行星表面的作用不那么直观。
顺便说一句，在海洋里。这种现象在决定全球环流方面起着巨大的作用。不同的盐度水层的不同导致了不同的密度和分层流动。由于水的密度比空气的密度高10^6美元，所以需要更强的动量源来混合这些层。但这样的源并不存在，所以我们得到了不同密度的分层流。